低压智能断路器

低压智能断路器（精选9篇）

低压智能断路器 篇1

摘要：以MSP430单片机和复杂可编程逻辑器件CPLD为核心,采用主机板和接口板的结构,设计了一种集测量、保护、监控、通信等功能为一体的智能测控系统。介绍了其硬件和软件设计流程。给出了频率检测电路和通信接口电路。该测控系统具有低成本、低功耗、功能完善和抗干扰能力强等特点。

关键词：断路器,测控系统,MSP430单片机,复杂可编程逻辑器件

0 引言

低压断路器是电力系统中低压配电网中的主要低压电器之一,主要在不频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用,实现对配电系统、输电系统和用电设备的过载、短路、接地故障以及欠压等的智能保护,确保供电系统的可靠性和安全性,应用十分广泛。随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展,断路器的保护装置己经由传统的电磁式过流脱扣器发展成采用集成电路的电子式脱扣器,直至目前出现了带高性能微处理器的智能控制器,提高了断路器的智能化程度,其保护功能也从原有的过电流保护扩展至过载、接地保护等功能;另外,还可以实时显示电网的有关参数,允许用户根据具体的情况来整定各种保护参数,具有自检测功能和预报警功能,同时提供网络通信接口,方便和计算机进行通信。本文以先进的MSP430单片机和复杂可编程逻辑器件CPLD为核心设计了一套用于智能化低压断路器的测控系统,该测控系统具有实时测量各项电网参数、过载报警与自动卸载、三段电流保护及欠压保护、通信组网、方便的保护参数整定和历史动作信息查询等功能。

1 智能测控系统总体设计

低压断路器工作在较为恶劣的电磁环境中,测控系统作为断路器内的核心控制装置,其可靠性和稳定性对保证断路器的正常工作起着至关重要的作用。由于断路器检测的交流电流的范围非常大(从几安培到几千安培不等),电流传感器出来的电压信号通常也比较高,而测控系统易受到此强电压的电磁干扰。因此,为了保证测控系统具有较强的抗干扰能力和较高的可靠性,在硬件设计上,将测控系统的强电部分和弱电部分分开,即测控系统分为主机板(弱电板)和接口板(强电板),在接口板上完成信号的预处理,把强电压信号变为小电压信号,同时测控系统的驱动部分也放在接口板上,保证主机板上只有弱电信号。

2 智能测控系统硬件设计

测控系统硬件设计包括主机板设计和接口板设计。主机板需完成的功能主要有:线路电压、电流、频率等的检测与显示;根据检测结果和保护整定值进行智能判断,作出长延时、短延时、瞬时及欠电压的保护决策,并发出卸载和脱扣等控制信号;保护参数整定及历史动作信息查询;与上位监控计算机进行通信。接口板需完成的功能主要有:为接口板及主机板提供电源,信号的预处理,接收来自主机板的卸载、脱扣、合闸和分闸的控制信号,完成控制信号的驱动以便执行机构完成卸载、脱扣、合闸和分闸动作。

2.1 主机板设计

主机板硬件结构如图1所示。

本测控系统选用的微处理器是TI公司生产的具有超低功耗的MSP430系列单片机中的MSP430F149一款[1,2],该系列单片机在电力系统微机测量和保护方面得到了广泛应用,该芯片具有:2 KB RAM数据存储器,故易于实现高速存取;60 KB闪存Flash ROM程序存储器;Pl～P6共6个8位双向多功能口,引脚复用,其中,P1、P2的全部引脚具有外中断功能,可响应16个中断源;两个具有捕获功能的16位定时器Timer_A、Timer_B和一个看门狗定时器;一个具有8个外部通道的12位高性能模数转换器ADC12(ADC12的速度可高达200 k Hz),其精度、速度都已够用,不需外部扩展;两个USART接口,不需要扩展便可和上位监控计算机进行通信。

考虑到断路器在合闸、分闸时,会产生强的电磁效应,如果直接由单片机的I/O口去驱动,外部的电磁干扰可能会使单片机的程序跑飞或复位,严重影响执行效果,考虑到CPLD内部硬件结构的可靠性及快速反应性,由CPLD完成合闸、分闸和脱扣等执行信号的输出,不会存在单片机因外部干扰而使程序跑飞的问题,因此可以在很大程度上提高智能测控系统的抗干扰能力[3]。因此,测控系统中开关量的输入和输出都由CPLD完成[4]。本次设计CPLD选用的是Xilinx公司的XC9536XL,该芯片具体资料可参考其用户手册。

主机板电源电路主要将来自接口板的+5 V电源转换为主机板所需的多种电源。+3.3 V作为主机板的数字电源,为CPLD和单片机及外围电路供电,±12 V和+2.5 V作为主机板的模拟电源,其中±12 V用于为信号处理电路中运放供电,+2.5 V用于产生1.25 V基准电压。

信号处理电路包括信号调理电路和频率检测电路两部分,信号调理电路实际上是完成信号的变换。由于单片机MSP430F149片内模数转换器ADC12为单极性且参考电压为2.5 V,因此输入ADC12的信号电平应为0～2.5 V。本测控系统先采用精密的2.5 V并联稳压器LM236产生2.5 V电压,再取1.25 V作为基准,将交流信号的零点提高到基准电压,然后使用运放作电平变换,即可将信号电平变为0～2.5 V。

对电网频率的检测由频率检测电路完成的,如图2所示,原理是把来自电压互感器的正弦波电压信号经滞回比较器整形为方波,间接计算方波的频率进而得到电网的频率。

键盘和液晶显示电路构成测控系统的人机接口,用于整定保护参数和查询历史动作信息等,键盘电路采用行列扫描式键盘,液晶显示电路选用一块128×64点阵型的液晶显示模块OCM12864;实时时钟电路用于为测控系统提供时间,以记录断路器动作发生的时刻;E2PROM存储电路用于存储断路器的历史动作信息。

测控系统的通信是用单片机MSP430F149内集成的通用串行同步或异步模块USART0完成的。通信接口电路主要用于将MSP430F149的TTL信号转换为RS485信号,以方便与上位监控计算机相连,RS485收发器设计采用的是具有瞬变高压抑制功能的SN65LBC184,通信接口电路如图3所示。

2.2 接口板设计

接口板属于智能测控系统的强电板,硬件电路框图如图4所示,主要由信号预处理电路、开关量输入输出电路、电源电路、输入输出接口等构成。下面对信号预处理电路、开关量输入输出电路和电源电路进行介绍。

信号预处理电路主要用于实现两大功能:一是进行低通滤波,由于电力系统中的模拟信号其主要成分是1、3、5次谐波,本次设计采用RC低通滤波电路对6次以上的谐波和高频干扰加以滤除,低通滤波器的R取1 kΩ,C取0.47μF,则截止频率约为339 Hz,可以保证滤除掉6次以上的谐波和高频干扰;二是把电流传感器输出的强电压信号变换为主机板处理的小电压信号。

开关量输入输出电路包括脱扣电路、合分闸电路和2路卸载电路。如图4所示,本文中开关量输入信号是指手动合闸信号、手动分闸信号和来自分闸继电器的反馈信号;开关量输出信号包括脱扣信号、合分闸信号和卸载信号,图5为脱扣电路原理图。

电源电路负责给接口板上所有电路供电,并给主机板提供+5 V电源。测控系统采用外接工作电源(主电源)和辅助直流电源供电,一般情况下以外接工作电源为主。外接电源为+24 V,由变压器副边电压经整流及滤波后产生,+5 V电源由+24 V经开关稳压器LM2576-5降压产生。考虑到主电源在被保护线路的上级断路器分闸后将消失,如果要求智能测控系统仍然能够完成通信、查询历史动作信息等功能时,则需外接一个直流+24 V电源。

3 智能测控系统软件设计

测控系统需要完成的任务较多,主要有:电流、电压的采样及有效值的计算;频率的检测和计算;各种保护的判断和处理;键盘的处理;液晶的显示;通信数据的接收、处理和发送等。软件设计工作的工作量比较大,所以测控系统的软件设计采用模块化的程序设计方法。主程序的流程图如图6所示。

在主程序中,主要完成初始化、通信数据帧处理、电流与电压有效值的计算、电网频率的计算、故障保护处理和LCD刷新显示,其中初始化包括系统时钟初始化、ADC12模块初始化、Timer_A和Timer_B初始化、单片机I/O口的初始化和液晶显示模块LCD的初始化等。中断程序包括:定时器中断、键盘中断。

3.1 数据采集子程序设计

数据采集子程序包含两个中断服务子程序,一个采用MSP430F149的定时器Timer_B实现电压、电流的定时采样,另一个采用MSP430F149的定时器Timer_A的捕获中断功能实现电网频率的测量,Timer_B的定时采样子程序流程图和Timer_A的频率检测子程序流程图如图7所示。

在定时采样数据处理子程序中,采用交流采样算法,以一个周期内有限个采样数字量来代替一个周期内的连续变化的电流或电压函数值,再进行均方根值的计算[5]。测控系统对电流信号的采集,理论上采样点数越多则越能恢复原始信号,但由于受CPU速度、A/D转换时间等因素的影响,采样频率不可能太高。

如本文2.2小节所述,电力系统中模拟信号的主要成分是1、3、5次谐波,对于6次以上谐波和其他高频干扰通过信号预处理电路的低通滤波器滤除,对于6次及以下各次谐波分量用数字滤波算法加以提取。假定电网频率为50 Hz,则由香农采样定理可知,采样频率应不小于600 Hz,即每个周期的采样点数应不小于12个[6]。本测控系统对每周波采样16点,即1.25 ms采一次,设计中选用Timer_B,时钟源为8 MHz的晶振,分频因子为8,所以定时周期为1.25 ms时,比较寄存器TBCCR0的值设为4E2 H。设定Timer_B为连续增计数模式,当计数器增计数到TBCCR0的值时,Timer_B就会发生中断,这时启动A/D转换,依次对各通道电流信号和电压信号进行采样。在Timer_B的定时中断中,通过查询ADC12IFG0寄存器的状态来判断A/D转换是否完成,如果已完成就将转换数据读出,放到片内2 KB的寻址RAM里,并将事先设置的采样次数变量COUNT增1,当采样次数超过16时,将周期采样标志flag置为1,表示每周波16点的采样已经完成,可以进行有效值的计算。

定时器Timer_A工作于捕获模式,脉冲触发沿选定为上升沿。在捕获中断中读取最近两次的捕获上升沿的计数值,两次计数值的差值即为方波信号的周期,此周期值与电网周期值相等,其倒数即为电网频率值。

3.2 键盘中断子程序设计

图8给出了键盘处理子程序的流程图。

当有按键按下时,将触发键盘电路中单片机P1口的中断,进入键盘处理子程序,通过操作键盘上的菜单、上、下、左、右、确认和返回7个按键,就可根据用户的要求灵活地进行保护参数的整定及查询、历史故障记录的查询和完成一些其他设置。

4 结语

低压断路器对低压配电系统供电的安全性和可靠性至关重要,本文重点研究了断路器核心控制装置——智能测控系统的设计,该测控系统以MSP430单片机和CPLD为核心,采用“主机板+接口板”结构,有效地提高了测控系统的抗电磁干扰能力,且保护功能完善、整定方便且可方便地通过RS485总线进行通信组网,具有低成本、低功耗、功能完善和抗干扰能力强等特点,对设计和开发新一代智能型低压断路器有一定参考价值。

参考文献

[1]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[2]蔡素雄.MSP430F149在电力测控保护产品中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2004(8):58-59.

[3]求是科技.CPLD/FPGA应用开发技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[4]黄智勇,杨永明,吴胜永,安敏.基于CPLD技术实现数字滤波[J].电声技术,2004(4):34-37.

[5]胡正业.智能断路器真正有效值电流的检测[J].低压电器,2000(4):50-51.

[6]毛晓波,吕建明.电力参数的交流采样技术及软硬件设计研究[J].仪器仪表学报,2001(4):195-198.

低压智能断路器 篇2

一、配电用低压断路器的选择

配电用低压断路器，主要指低压网络中专门用来分配电能的电器，包括电源开关和负荷支路开关。选用这类断路器应注意以下几点:(1)断路器的额定工作电压不小于线路额定电压，电流不小于线路计算负荷电流。(2)断路器的额定短路通断电流不小于线路中可能出现的最大短路电流。如果所选断路器的额定电流与线路计算负荷电流相符，但额定短路通断电流小于线路的最大短路电流，则必须提高选用断路器的额定电流，即按线路的计算负荷电流选择过电流脱扣器的额定电流。(3)线路末端单相对地短路电流不小于1.25倍断路器瞬时(或短延时)脱扣器，整定电流。(4)断路器欠压电流脱扣器的额定电压等于线路额定电压; 具有短延时的短路器，若带欠压脱扣器，则脱扣器必须是延时的，其延时时间不小于短路延时时间;断路器的分励脱扣器的额定电压等于控制电源电压;电动传动机构的额定工作电压等于控制电源电压。

二、电动机保护用低压断路器安装问题

电动机保护用低压断路器:一类是断路器只起保护作用而不担负正常操作;另一类是断路器担负保护和不频繁操作这两项任务。选择后一种断路器时应考虑操作条件和电寿命。选择电动机保护用断路器的一般原则是:长延时电流整定值等于电动机额定电流和瞬时整定电流:保护笼型电动机时，瞬时整定电流为8倍~15倍的电动机额定电流，具体数值随电动机的型号、容量和起动条件而定。

低压断路器的安装应满足以下要求:

(1)安装前应检查断路器的规格是否符合使用要求，应将断路器操作数次，检查机构动作是否灵活和分、合是否可靠。应使用500伏兆欧表测量断路器的绝缘电阻，以在周围空气温度为20℃±5℃和相对湿度为50%~70%测得的电阻不小于10MΩ为合格。否则，断路器应作干燥处理。

(2)应严格根据产品说明书规定的位置(如垂直)安装，否则将影响脱扣器动作的准确性和通断能力。

(3)断路器的安装应平稳，不得有附加机械应力。否则，对于塑壳式断路器，其绝缘基座可能因受拉力而损坏，脱扣器的牵引杆(脱扣轴)因基座变形而卡住，影响脱扣动作;对于抽屉式断路器，可能影响其二次回路连接的可行性。

(4)为防止发生飞弧，安装时应按产品说明书的规定在灭弧罩上部留有一定的飞弧空间。对于塑壳式断路器，进线端的裸母线应包上200mm长的绝缘物，有时还需要在进线端的各相间加装隔弧板(将其插入绝缘外壳上的燕尾横槽中)。

(5)电源进线应接在灭弧室一侧的接线端上(上母线上)，接至负载的出线应接在脱扣器一侧的接线端上(下母线上);出线端的连接线截面应严格按规定选取，否则，将影响过电流脱扣器的保护特性。

(6)某些塑壳式断路器(如DZ10系列)，只有取下盖子才能安装，但其操作机构在出厂时就调试好，所以卸装盖子时操作机构不得串联，

如果是带插入式端子的断路器(如DZ12-60型)，安装时应将插刀推到底，并把下方的安装压板旋紧，以免碰撞而脱落。

(7)带插入式端子的塑壳式断路器，应装在金属箱内(只有操作手柄外露)，以防止操作人员触及接线端而发生事故。凡是设有接地螺栓的断路器，都应可靠接地。

(8)对于带电动机操作机构的塑壳式断路器，应装上显示断路器工作状态的指示灯。因为这种断路器装好后，无法通过操作手柄的位置来判断断路器是处于合闸还是分闸状态。

三、低压短路器的使用与维护

断路器是一种比较复杂的保护电器，要善于使用和维护，才能使它完成预定的任务。在使用和维护过程中一般应注意以下几点:

1.投入使用前，应扫除断路器上的尘土，擦去各电铁工作面(如失压脱扣器磁系统的吸合面)的防锈油脂，并检查各紧固螺栓是否拧紧。

2.断路器内各脱扣器的整定电流、铁芯气隙、活动部件间的距离和调整螺栓等，通常在出厂前就已调整好，使用时不得随意变动，以免因脱扣器的动作特性变化而发生误动作或造成事故。

3.如果断路器有双金属片脱扣器，而工作场所的湿度又高于其整定值，则应降容使用;如果脱扣器的工作电流与整定电流不符，则应在专门的校验设备上将其调整后才可使用。

4.有双金属片脱扣器因过载而分断后，不得立即“再扣”，一般需冷却1min~3min，在双金属片复位后，才可“再扣”。

5.操作机构每使用一定时间(1年~2年)，应在其传动机构部分添加润滑油(小容量塑壳式断路器除外)。每隔一段时间(6个月至1年，或在定期检修时)应清除断路器上的粉尘和异物。

6.定期检修时，应在不带电的情况下合、分闸数次，以检验断路器动作的可靠性。如果发现传动机构有卡塞现象，可添加适量润滑油，并在加油后立即操作数次，以使润滑油渗入各转动轴销。定期检查触头接触面的状况，发现有污垢和烟灰时，应使用丙酮或其他溶剂将其擦去;发现有毛刺时，应使用细锉清整;发现更换的弧触头磨损到只有原厚度1/3时，应予以更换。

7.对分断过短路电流或长期运行的灭弧室，要清除其内壁和栅片上的黑烟灰和金属颗粒。如果是陶土灭弧室，投入使用前应将其烘干，以使它具有良好的绝缘性能。

8.应定期检查各脱扣器的电流整定值和延时;对半导体脱扣器，则应定期用试验按钮检查其动作情况。

参考文献:

[1]电气设备及自动化控制 [M] . 北京:煤炭工业出版社，.

[2]雍静. 供配电系统 [M].北京:机械工业出版社，.

[3]安顺合 . 电气设备安全运行与维修手册[K].北京:机械工业出版社，.

[4]万承远.电气控制技术 [M] .北京:机械工业出版社，.

浅谈低压断路器的选择及应用 篇3

关键词：低压断路器；额定电流；脱口器额定电流；极限通断能力；过负荷保护；短路保护

低压断路器（自动开关）是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。在配电线路中起到通断电路，还具有过负荷保护、短路保护、欠电压保护和漏电保护等作用。

低压断路器操作简单、使用方便、体积小，广泛应用于低压配电系统各级馈电线路、各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护，低压断路器是工程中应用最广泛的低压电器之一。

1、首先应根据应用环境及相应的电气要求，来确定低压断路器的类别，低压断路器有诸多分类方式：

1.1 按照使用类别划分：有选择型（保护装置参数可调）和非选择型（保护装置参数不可调）；

1.2 按结构型式划分：万能式（框架式）断路器和塑壳式断路器；

1.3 按灭弧介质划分：分为空气式和真空式；

1.4 按操作方式划分：分为手动操作、电动操作和弹簧储能机械操作；

1.5 按操作方式划分：单极式、二极式、三极式和四极式；

1.6 按安装方式划分：可分为固定式、插入式、嵌入式和抽屉式等。

低压断路器的额定电流范围很大，（4A～～5000A）。

2、其次，应根据电气环境、所带负荷来确定低压断路器的主要电气参数。

2.1 低压断路器的额定电压、额定电流的确定。

2.1.1 由线路的计算电流来决定低压断路器的额定电流：

IrQ≥Irt IrQ—断路器壳架等级的额定电流，A；

Irt≥Ic Irt—反时限过电流脱扣器的额定电流，A；

Ic—线路的计算负荷电流，A。

2.1.2 反时限过电流脱扣器的整定值

Iset1≥Ic Iset1—反时限过电流脱扣器的额定电流，A；

Iset1≤IZ Iz—导体的允许持续载流量，A。

2.1.3定时限过电流脱扣器的整定值

Iset2≥Krel2[I Stm1+ Ic（n-1）]

Iset2—定时限过电流脱扣器的额定电流，应躲过短时间内出现的负荷尖峰电流 A；

Krel2—低压断路器定时限过电流脱扣器的可靠系数，Krel2=1.2；

I Stm1—线路中最大一台电动机的起动电流，A；

Ic（n-1）—除起动电流最大的一台电动机以外的线路计算的负载电流，A。

2.1.4 瞬时过电流脱扣器整定值

瞬时过电流脱扣器额定电流Iset3，应躲过配电线路的尖峰电流，即：

Iset3≥Krel3[I'Stm1+ Ic（n-1）]

Krel3—低压断路器瞬时脱扣器的可靠系数，考虑电动机电流误差和断路器瞬动电流误差，Krel3=1.2；

I'Stm1—线路中最大一台电动机全起动电流 A，它包括非周期分量和周期分量，其值可取电动机起动电流IStm1的2倍；

Ic（n-1）—除起动电流最大的一台电动机以外的线路计算的负载电流，A。

2.1.5 低压断路器的电压要求

2.1.5.1 断路器的额定电压应大于等于电源和负载的额定电压。

2.1.5.2 断路器的欠电压脱扣器额定电压等于配电线路的额定电压。

2.1.6 按照线路上的短路冲击电流（即短路全电流最大瞬时值）来校验断路器的额定短路的接通能力（最大电流预期峰值），即后者应大于前者。

2.1.7 按照线路计算的最小短路电流来校验断路器动作的灵敏性，即线路最小短路电流不小于断路器短路整定电流的1.3倍；

2.1.8 按照线路计算的最大短路电流来校验低压断路器的分断能力。

3、低压断路器的其他特性与技术参数：

3.1型式：低压断路器型式包括极数、相数、额定功率、灭弧介质、闭合方式和分断方式。

3.2 额定工作制：断路器的额定工作制可分为8小时工作制和长期工作制。

3.3 辅助电路参数：断路器辅助电路参数主要为辅助特点特性参数。万能式断路器一般具有常开接点、常闭接点各3对，供信号装置及控制回路用；塑壳断路器一般不具备辅助接点。

3.4 断路器特性参数还具备脱扣器型式及特性、使用类别等。

4、智能化低压断路器的选择与应用

4.1 智能化低压断路器通过中央控制系统，进入计算机网络系统。微处理的引入，大大增强了低压断路器的保护功能，其中的短延时可设置成I2t特性，主要为与后一级相匹配，并实现接地故障保护。

4.3带有微处理器的智能化脱扣器的保护特性方便调节，还可根据实际需求设置预警特性。

4.4 智能化低压断路器可反映负载电流的有效值，消除输入信号中的高次谐波，避免高次谐波引起的误动作。

4.5 微处理器还可以提高低压断路器的自身诊断功能和监视功能，可测量电流、电压、功率因数、频率等，并且利用视频显示装置显示其结果。

4.6 智能低压断路器报警功能

该类断路器内部温度升高超过允许值时，或者当触头磨损量。超过限定制时，断路器能动作，发出警报信号。

4.7 智能断路器对电动机的保护，动作准确、调节整定的范围宽，可以对电动机起到很好的过载保护、断相保护、三相不平衡保护和接地故障保护。

4.8 智能化低壓断路器与计算机控制系统组成网络，可自动记录低压断路器的运行状态，并应对其运行情况加以控制，如实施遥控测量、遥控控制以及信息遥控传递，而且智能化低压断路器是低压断路器的重要发展方向。

低压断路器是建筑电气中应用最为广泛的电器元件之一，广泛应用在动力、照明等配电线路中。

合理的选择低压断路器，可以更好的保护配电线路。对供电线路、电动机配电等起到过载保护、短路短延时保护、短路瞬时保护、接地故障保护等。创造良好的供电环境，使供电更加安全、可靠，更好地为人们的工作、生活服务。智能化低压断路器的使用，会使我们提高供电质量，利用电能更加科学化、智能化。‘

参考文献：

[1]《低压配电设计规范》北京，中国计划出版社，GB50054-2011.

[2]任元会等.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力工业出版社，2005.

低压智能断路器 篇4

智能断路器是一种将计算机技术、数字处理技术和信息技术引入传统开关设备,而发展起来的新一代开关电器。智能断路器的控制器是实现智能操作的核心部件[1],其基本任务是通过对电网参数的采集和处理,给出相应的控制信息,同时,智能控制器通过现场总线可以和计算机连接,实现断路器间的联网通信以及进行远程监控,从而构成一个功能强大、检测精度高、可靠性好的测控系统,全面检测电网运行参数(如电流、电压、频率、功率、功率因数等),并根据电网负载自动保护,使电网设备免受过载、短路、接地、过压、欠压、漏电等故障危害;通过与现场总线的远程监控,实现“四遥”功能[2,3],即遥测、遥控、遥信和遥调。目前,我国正致力于开发国产第4代断路器,其特点是“无触点化、超导化、智能化和网络化”。

本研究主要探讨基于总线式低压断路器智能控制器的研究与设计。

1 μs/OS-II嵌入式操作系统

μs/OS-II包括:内核管理、任务管理、时间管理、事件控制块、信号量管理和邮箱管理等。

μs/OS-II中创建的任务有5种状态,分别是:睡眠、等待、就绪、运行和中断服务。μs/OS-II是占先式内核,每个任务都要设置优先级,优先级最高的任务可以先进入CPU运行,其它任务只能先在就绪状态中等待。μs/OS-II最多可以创建多达64个任务(实际可以使用56个,因为前4个和后4个任务优先级被保留作系统升级用)。

2 嵌入式系统的硬件设计

2.1 智能控制器总体结构及工作原理

智能控制器硬件系统的总体结构,如图1所示。该控制器的主要任务是采集电网的电流和电压信号,经过信号采样电路处理后,使信号变换成DSP的标准输入电压0～3.3 V,DSP通过对采集信号的分析比较,做出正确的判断,发出动作指令,从而实现线路的过载、短路、接地等故障的保护,并通过Profibus总线发送和接收监控计算机的相关数据,实现远程监控管理。该系统主要有DSP及其外围电路、A/D信号采集与处理电路、液晶显示电路、电源、脱扣电路等部分构成。DSP的外围电路主要包括晶振、滤波回路、片外RAM和一些门电路。

2.2 TMS320LF2407A芯片及其开发环境CCS2.2简介

TMS320LF2407A控制器的外设包括[4,5]:事件管理器、网络接口、A/D通道模数转换、SPI串行外设接口、SCI串行通信接口、通用双向I/O引脚。CCS2.2是CCS系列中的最新版本,有很多既方便又强大的功能,包括:支持同时载入多个工程文件;加强了编译器功能,对语法的检查更加严格;通过建立库工程,支持编译函数文件成为库文件等。

2.3 信号采集电路

系统采集的信号是4路电流和3路电压信号,电压和电流信号都是经过互感器形成的二次侧感应电压,经滤波隔离放大之后形成适合A/D转换的电压范围,7路信号经处理后送到多路电子开关。由于DSP本身具有A/D转换器,所以只需通过DSP控制电子开关选通所需的各路信号,即可完成对多路信号的采集。

DSP的A/D转换精度为2-10,完全能够满足实时采集和高精度要求。设计中,利用定时中断方式进行采样,要求每1ms就在3路电压和4路电流信号上各采集一点。

2.4 Profibus-DP总线接口模块

在Profibus-DP总线通信过程中,主站循环地读取从站的输入信息,并周期性地向从站发送输出信息;同时,数据的通信通过主站和从站的监控功能进行监控。

设计中专门选用了51系列单片机LPC932A1来实现Profibus总线通信[6]。由于单片机LPC932A1上安装有增强型UART,因此可以用单片机通过软件来模拟Profibus现场总线协议。LPC932A1指令执行时间只需167 ns,增强型的UART波特率可以使数据以500 kb/s在Profibus-DP总线中传输,它允许高速度周期性的数据通信,因此特别适用于对时间要求苛刻的场合。

Profibus-DP接口模块,如图2所示。其电路主要由3部分组成:模拟总线协议处理微控制器LPC932A1、高速光电耦合器6N137和RS-485收发器SP3485。

为了增强Profibus-DP总线节点的抗干扰能力,LPC932A1的TXD和RXD并不是直接与RS-485收发器SP3485的TXD和RXD相连,而是通过高速光电耦合器6N137与SP3485相连,这样能较好地实现总线上各Profibus-DP节点间的电气隔离。其中,光耦部分电路所采用的2个电源VCC和VPP必须完全隔离,虽然增加了节点的复杂性,但是却提高了节点的稳定性和安全性。连接至SP3485上A引脚的上拉电阻和连接至B引脚的下拉电阻用于保证无连接时的SP3485芯片处于空闲状态,提供网络失效保护,以提高RS-485节点与网络的可靠性。

3 嵌入式系统的软件设计

3.1 μs/OS-II在2407上的移植

μs/OS-II在2407上实现移植是嵌入式系统软件设计的关键所在,根据嵌入式实时系统的实际需要,对OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C文件进行编写,对OS_CFG.H配置的正确设定,如对最低优先级OS_LOWEST_PRIO、最多任务控制块OS_MAX_EVENTS、最多任务数OS_MAX_TASKS进行设置,对需要使用的功能进行选择置位。

OSStartHighRdy()控制最高优先级任务的运行,OSCtxSw()用来实现中断服务子程序、陷阱或异常处理程序的任务切换,OSTickISR()用来实现时钟节拍功能。

将各种函数编写好以后,装载入2407或外部RAM中,进行成功移植后,即可在此基础上进行嵌入式系统的软件开发。

3.2 智能控制器软件设计

智能控制器系统软件设计主要有2部分:主程序和中断程序。中断程序包括定时器采样中断、延时保护处理中断和通讯中断,其中,定时器中断优先级高于通讯中断,以保证定时采集数据并进行相关处理。

软件采用汇编语言和高级语言混合编制而成,按功能可分为2类:①执行软件。完成各种实质性的功能,如测量、计算、显示等;②监控软件。采用模块化设计技术,便于系统功能扩展和提高程序的可靠性、可维护性,同时为实现智能控制器的测量、保护、监控和通信等功能,设计了一种多任务操作系统。

主程序流程,如图3所示。其中,由于实时性要求不高,其主要功能如液晶显示、保护算法、滤波算法、有效值计算、通信的发送和接收、键盘输入设置参数等,用主循环依次实现。对于实时性要求较高的程序,如A/D采样转换程序和瞬动保护判断程序,采用了汇编语言编程,这样可以加快相关代码运行的速度,提高系统运行的效率。利用DSP的A/D转换器,每隔1 ms采样1次,完全可以满足实时性要求。

定时采样中断程序流程,如图4所示。

智能控制器通过定时采样中断和计算获取主线路的信号,比较是否达到或超过短路瞬时整定值、短延时整定值、过载长延时整定值,并作出相应的分断命令。

3.3 上位监控软件

智能断路器与上位机之间的通讯采用多主方式,即网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,其目的不仅是使智能节点能响应上位机进行数据传输,而且为了能够定时或在智能节点出现异常时及时主动地向上位机传送相关信息。

上位机采用VB编程实现以下功能:①实时接收智能断路器上传的数据,包括正常情况下的定时发送和异常情况下的实时发送;②随时读取下位智能断路器的数据,即工作人员可从上位监控机上根据需要随时向下位智能节点发送远程帧,索取相关数据;③具有在线远程设置相关参数及远程控制断路器的分/合闸,即实现“四遥”功能。

4 试 验

本研究设计的样机在企业试验站进行了现场调试、试验,如保护特性的测试、上位机和控制器之间的通信等,做了大量的运行试验,取得了满意的结果;主要技术性能指标满足IEC60947-2,GB14048.2标准,优于传统的低压断路器,同时,亦扩展了其功能。

4.1 系统测试

主站监控软件设计有实时曲线、故障报警、保护特性整定、时间报表、历史数据查询等功能模块,有较好的人机界面。

(1) 遥测功能。

集中监控计算机(以下称主站),可以通过现场总线系统实时获取智能断路器(以下称从站)测量和记录的各种电网参数;同时还可以记录电网出现故障的各种情况。

(2) 遥控功能。

主站可以控制从站进行储能、合闸、断开等动作。

(3) 遥讯功能。

主站可以检查各个从站的各种设定参数(如型号、额定电流、额定电压、保护特点数据),以及当前的工作状态。

(4) 遥调功能。

主站可以设定、调整各个从站的各种可变参数,如各种保护电流的设定值、各种保护延时时间的设定值,获取从站的调整结果。

4.2 总线系统的主要指标

(1) 数据传输距离为1 200 m,加一个中继器可以扩展。

(2) 数据传输介质为双绞线(4类以上)。

(3) 数据传输速度为:5 kbps～1 Mbps。

(4) 传输介质连接脱扣器的数量为256台。

(5) 通信方式为多主方式。

4.3 智能脱扣器的主要功能试验

对智能脱扣器的各个功能进行了试验,如过载长延时保护、短路短延时保护、短路瞬动保护、负载监控、过载预报警等,并通过网络调整控制参数。主要功能试验结果,如表1所示。

对于短路短延时保护,它具有“定时限”和“定时限+反时限”两种保护模式。

5 结束语

本研究从开发的角度阐述了基于DSP的嵌入式操作系统和Profibus-DP现场总线的智能控制器设计,其各项性能指标均达到设计要求,而且运行可靠、实时性强、控制精度高、动作误差小。主站监控软件可实时监测断路器的运行状态,设定、调整各个从站的各种可变参数。

试验结果表明:采用了μs/OS-II嵌入式实时操作系统设计的智能控制器,实现了测量、保护、通信和监控等功能,实现了网络化的功能,整定方便、精度高、实时性好,性能指标优于传统的断路器,达到了预期设计要求。

摘要：针对智能断路器控制器的技术要求,提出了基于DSP和μs/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的总线式低压断路器新型智能控制器的设计思路和实现方案,介绍了嵌入式系统的硬件和软件,阐述了Profibus-DP总线接口模块的设计以及μs/OS-Ⅱ在TMS320LF2407A芯片上的移植问题,最后,进行了该控制器的现场试验。现场试验结果表明,该控制器可靠性高,试验结果达到预期的设计要求,具有广阔的应用前景。

关键词：μs/OS-Ⅱ,嵌入式系统,断路器,智能控制器

参考文献

[1]LABROSSE J J.嵌入式实时操作系统μs/OS-II:第2版[M].邵贝贝,译.北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[2]曾庆军,金升福,黄巧亮,等.关于万能式断路器智能控制器[J].电力自动化设备,2004,36(2):79-83.

[3]仇维斌,国琴,赵跃华.DS80C390和CS5460在框架式智能断路器控制器中的应用[J].仪表技术与传感器,2002,22(6):27-29

[4]TI公司.TMS320LF/LC24系列DSP的CPU与外设[M].徐科军,译.北京:清华大学出版社,2004.

[5]刘和平,严利平.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

低压智能断路器 篇5

(1) 井组泵站距离中控室最近14km, 最远60多km, 一期44个井组设备低压框架断路器选型不带缺相及欠电压保护功能, 高压故障时不会分闸保护设备, 恢复供电后直接供电。

(2) 改扩能63个井组泵站框架断路器选型带保护功能的, 但缺相不一定保护 (不一定是欠电压脱扣线圈AC220 V这相电源缺相) , 高压正常断电后, 供电恢复后需要人工到现场合闸, 由于距离远造成设备不能及时启动运行带载。

2 原因分析

这是断路器选型要求的结果, 保护功能少不利于设备保护, 保护功能多又不利于操作, 所以最好是两者兼得。

3 采取措施

(1) 断路器选型:根据厂家提供的选型使用手册, 没有带自动重合闸功能的断路器, 定制的话价格贵。

(2) 通过现有的无线通讯进行远程分合闸, 需要在本地完成接线、程序组态、加装中间继电器、主站程序组态、上位机组态, 由于有107个井组, 数据量大, 所以从硬件到软件组态工程量大, 施工量大, 安装调试周期长。

(3) 给断路器附加单独开关控制器, 实现多重保护和来电自动重合闸功能, 控制器就近安装在断路器柜中, 只需少量接线即可, 价格600元左右。

综上所述, 采取第三种方式快捷高效, 控制器采用三线四线制, 工作电源200V, 既可监控线电压也可监控相电压, 判断非设备故障高压供电恢复正常后, 可自动复位重合闸一次。如果是设备故障分闸则不能合闸, 控制器控制断路器合闸和分闸是通过断路器本身的合闸和分闸按钮实现 (相当于异地控制接法, 并接于合闸、分闸按钮即可) , 控制器电源及所监控线路从低压框架断路器的电源端接入, 电源不正常时输出触点分闸断路器保护负载设备, 电源恢复正常时自动复位合闸断路器使设备恢复供电, 有利于设备及时运行。因为是远程无人值守泵站, 故障导致不能自动复位合闸或合闸失败, 检修人员再去现场确认故障, 故障消缺后本地复位方可合闸。

低压开关智能控制器主要用于提升电力线路上的低压配电自动化水平。本控制器能在电网恢复供电后, 自动将因线路失压而脱扣的低压自动开关延时重合闸, 恢复对用户负荷的供电。当低压开关智能控制器检测到自动开关由于失压而脱扣跳闸时, 待下次电源恢复正常后, 由电路产生一个随机延时数, 延时输出重合闸信号, 将开关自动合闸。

低压开关智能控制器具有的功能:

(1) 失压脱扣自动随机延时重合闸功能;

(2) 正常分断和保护动作闭锁重合闸功能;

(3) 负荷侧有电闭锁重合闸功能;

(4) 母分合环条件超限闭锁合闸功能;

(5) 断相检测功能;

(6) 逆相序检测功能。

3.1 低压开关智能控制器功能说明

3.1.1 失压脱扣自动随机延时重合闸功能

本控制器能自动判断开关脱扣原因, 当由于电网电压跌落或高压侧停电导致自动开关失压脱扣跳闸后, 再次来电时, 控制器会自动经过一个随机延迟后输出合闸信号, 控制低压开关自动合闸。

3.1.2 正常分断和保护动作闭锁重合闸功能

本控制器能自动判断开关脱扣原因, 当发生人工分闸或过流保护分断后, 再次来电时, 控制器不会输出合闸信号。人工分闸被控制器识别后允许合闸指示灯常灭, 有声音告警提示人工分闸被识别。

3.1.3 负荷侧有电闭锁重合闸功能

本控制器检测到负荷侧 (下桩头) 有电而自动开关处于分闸位置的时候, 将发出告警声, 闭合告警接点, 并闭锁重合闸功能, 以防止企业自发电向电网倒灌事故的发生。

3.1.4 母分合环条件超限闭锁合闸功能

控制器计算负荷侧 (下桩头, 表示为a/b/c/n) 与进线侧 (上桩头, 表示为A/B/C/N) 对应线与线之间电压有效值 (表示为UAa、UBb、UCc) 。当UAa、UBb、UCc中任意一个大于设定值 (出厂默认配置为11V) 时, 母分告警指示灯点亮, 禁止合闸输出触点被驱动断开, 此时人工无法进行合闸动作;当UAa、UBb、UCc均小于设定值时, 母分告警指示灯熄灭, 禁止合闸输出触点被驱动闭合, 此时人工可以进行合闸动作。

3.1.5 断相检测功能

本控制器检测到线路有缺相情况发生, 将发出告警声, 缺相告警指示灯亮, 并闭合告警输出接点。

3.1.6 逆相序检测功能

本控制器检测到线路有逆相序情况发生, 将发出告警声, 相序告警指示灯亮, 并闭合告警输出接点。

3.2 主要技术参数

工作电压范围:AC220V±20%;

工作环境温度:-25~+70℃;

工作环境湿度<85%;

功耗<5 W;

控制接点输出容量:AC380V/5A;

重合闸延时:10~180s随机;

储能输出动作时间:5s;

合闸输出动作时间:5s;

辅助接点输入:无源干接点输入;

绝缘电阻>10 MΩ;

母分合环条件<11V。

(1) 开关辅助要求常开触点输入, 不能与其他回路公用。

(2) 储能辅助要求常开触点输入, 不能与其他回路公用。

(3) 分闸辅助要求接入分闸按钮常闭触点。

(4) 合闸输出常开触点并接于合闸按钮两端。

(5) 储能输出常开触点并接于储能按钮两端, 当开关为自动储能类型时, 用对应拨码开关屏蔽储能即可。

(6) 禁合闸输出串接入合闸回路, 当不用母分功能时对应线不接即可。

(7) 供电电压为AC220V, 注意相线与零线不要反接。

(8) 上桩头电压N与下桩头电压N设备内无连接。

(9) 接线完成后需断开负荷开关, 在自动开关闭合的情况下, 断开进线电压, 模拟失压一次, 恢复进线电压后, 控制器应能自动重合闸。该步骤用以检验接线是否正确。

3.3 功能设置

功能配置DIP开关定义:

SW1=ON短接储能辅助输入;

SW2=ON屏蔽声音告警;

SW3=ON屏蔽缺相检测功能;

SW4=ON屏蔽相序检测功能;

SW5~SW8延时时间设定 (ON=1) 。

4 结语

远控多路无人值守的低压配电室进线柜断路器采用此方法即可提高设备保护水平, 同时也减轻了维护人员劳动量。当然如果断路器生产厂家能内置次控制器功能最好, 一次校验出厂, 可靠性和稳定性都有保障, 希望厂家能实现, 满足客户需求。

参考文献

[1]傅启国.低压断路器智能控制器设计与研究[D].南京:南京理工大学, 2008.

[2]王朝霞.框架式断路器智能控制器的研制[D].济南:山东大学, 2005.

[3]马建萍.低压断路器中智能控制器的设计[D].西安:西北工业大学, 2003.

[4]谭力龙.低压断路器智能控制器设计与实现[D].西安:西安工业大学, 2013.

低压智能断路器 篇6

单片微型计算机(简称单片机)包括中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、中断系统、定时器/计数器、串行口和I/O等。单片机的控制功能强、可靠性好、功耗小、体积小,适用于各行各业,由于单片机适应各种应用场所的新品不断推出,所以它具有很强的生命力,主要用在家用电器、工业自动化领域、过程检测、工业控制器及机电一体化控制系统[1]。

电磁兼容(EMC)测试包括两大方面内容:一是电磁干扰(EMI)试验,即对其向外界发送的电磁骚扰强度进行测试,以便确认是否符合有关标准规定的限制值要求;二是电磁敏感性(EMS)试验,即对其在规定电磁骚扰强度的电磁环境条件下进行敏感度测试,以便确认是否符合有关标准规定的抗扰度要求。由于电器产品在使用时对其它电器有电磁干扰,或受到其它电器的电磁干扰,电磁兼容不仅关系到产品工作的可靠性和安全性,还可能影响其它电器的正常工作,甚至导致安全危险。

低压断路器是工业自动化领域中非常重要的一大类产品,其发展方向为高性能、小型化、智能化、高可靠、可通信、环保及节能等。上世纪80年代后期,通过引进技术、散件组装、合资合作等方式,使低压断路器的生产技术水平有了很大的提高。以上海电器科学研究所为主体研制的DW45、DW450系列断路器,在性能指标上达到了上世纪90年代的国际水平。其中的智能脱扣器又是以单片机为主要构成元件,是智能断路器的心脏。智能脱扣器的电子部分有三块电子组件板(电源和电压模块除外),它们都屏蔽在壳体中。第一块板主要负责电源供给、电流及电压信号的输入、断路器机构动作信号输入、脱扣信号输出、信号触点功能输出。第二块板为MCU板,主要负责电流和电压信号的模拟量处理、模数转换、数字量去除和逻辑处理,产生脱扣指令,实现各种功能。第三块板为人机界面面板,主要有按键和显示部分组成。用户可以通过面板上的按键输入指令,整定保护参数,进行模拟试验,完成数据查询等,再由显示部分把信息反馈给用户。智能化脱扣器能使断路器具有遥测、遥控、遥信和遥调等功能。所以世界上各大断路器生产厂家现在都纷纷生产了各种智能化产品,如ABB公司的F系列,施耐德公司的M系列,西门子公司的3WN6系列和3VF系列,三菱公司的AE系列等。而智能脱扣器的抗干扰能力的好坏将决定系统能否在复杂的电磁环境下稳定可靠地工作,从而决定了系统的实际使用价值。特别是在各种实时控制的远距离系统中,由于现场环境恶劣,干扰因素较多,系统不可避免地要受到其它电磁设备的干扰,若仅按常规设计就很难保证系统的正常运行。因此,单片机系统的电磁兼容性又是其安全、可靠、稳定运行的核心问题,是智能产品设计者必须充分考虑和解决的。

2 断路器单片机系统电磁兼容的试验项目

根据国家标准和工作实践需求,智能断路器如DW45、DW450电磁兼容试验项目主要有下面几种[2]:

(1)电快速瞬变/脉冲群试验。试验目的——验证电气和电子设备对来自切换瞬态过程(切断感性负载、继电器触头弹跳等)的各种类型瞬变骚扰源抗干扰能力,是电力线路中最常见、最普遍干扰。

(2)电压/电流浪涌抗扰度试验。试验目的——验证电气和电子设备在遭受来自电力线和互连线上高能量骚扰源的抗干扰能力。

(3)有关抗静电骚扰抗扰度试验。试验目的——评估电气和电子设备遭受静电放电时的性能,也包括人体靠近关键设备的物体间可能发生的静电放电的抗干扰能力。

(4)射频电磁场辐射抗扰度试验。试验目的——大多数的电子设备对来自小型手持无线电收发机、固定的无线电广播、电视台的发射机、车载无线电发射机和各种工业电磁源均会频繁地产生射频电磁场,还有一些设备产生杂散辐射,例如电焊机、晶闸管整流器、荧光灯、感性负载的开关操作等。本试验就是检验电气和电子设备抗射频电磁场辐射抗扰度能力。

3 电磁干扰对断路器单片机系统的主要影响

影响应用系统可靠、安全运行的主要因素来自系统内部和外部的各种电磁干扰,以及系统结构设计、元器件安装、加工工艺和外部电磁环境条件等。这些因素对单片机系统造成的干扰后果主要表现在以下几个方面:

(1)测量数据误差加大。干扰侵入单片机控制系统测量单元模拟信号的输入通道,会使数据采集误差加大。

(2)控制系统失灵。单片机输出的控制信号通常依赖于某些条件的状态输入信号和对这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状态信号受到干扰,引入虚假状态信息,将导致输出控制误差加大,甚至控制失灵。

(3)程序运行失常。外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响程序的正常运行。若外界干扰导致单片机程序计数器PC值的改变,则破坏了程序的正常运行。由于受干扰后的PC值是随机的,程序将执行一系列毫无意义的指令,最后进入死循环,这将使输出严重混乱或死机。

4 解决断路器单片机电磁兼容干扰的方法

各种电子元件芯片本身易受外界特别是现场环境的干扰,所以数字化脱扣器的抗干扰能力相对电磁式脱扣器要弱得多。为此,DW45、DW450断路器在设计时采取了多种抗干扰措施,如硬件上的屏蔽和隔离、信号滤波、接地、数字地与模拟地分开等;软件设计上依靠单片机强大的运算能力,运用各种滤波算法对采样信号进行处理;此外,还采用了软件陷阱等技术,加强系统抗干扰能力,使系统在意外情况下能迅速重新起动,恢复正常工作状态。

由于解决断路器单片机系统电磁兼容干扰的方法很多,本文只对来自切换瞬态过程(切断感性负载、继电器触头弹跳等)的各种类型瞬变骚扰源的抗干扰能力,静电放电抗干扰能力及单片机硬件、软件抗干扰能力,如看门狗电路进行分析和讨论,并提出抗干扰解决措施。

4.1 单片机硬件抗干扰措施

硬件抗干扰技术是系统设计时首选的抗干扰措施,它能有效抑制干扰源,阻断干扰传输通道。印制电路板的设计对单片机系统能否抗干扰非常重要。要本着尽量控制噪声源,尽量减小噪声的传播与耦合,尽量减小噪声的吸收这三大原则设计印制电路板和布线。同时要在设计时注意下面几条原则:(1)尽量减小供电环路和信号环路的面积;(2)尽量减小回流地线的阻抗;(3)在电路板的上方不允许有任何电气上没有连接并悬空的金属存在等;(4)避免90°折线,减小高频噪声发射;(5)在可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅噪声;(6)给继电器线圈增加续流二极管,消除断电时产生的反电动势;(7)用地线将数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地分离,最后接在一点接于电源地;(8)电路板合理分区,如数字信号、模拟信号尽可能使干扰源与敏感器件远离;(9)看门狗电路。

为提高智能断路器单片机系统的抗干扰性能和防止死机现象发生,DW45、DW450产品在设计时就直接选用带有看门狗电路的单片机,它可以通过用户编程来选择硬件看门狗,防止死机现象出现。

当干扰通过总线或其它口线作用到CPU时,就会造成程序计数器PC值的改变,引起程序混乱,使系统失控。无论何种控制系统,死机现象都是不允许的。克服死机现象最有效的办法就是加硬件看门狗电路,如果仍然有死机现象,分析原因,可能有以下方面:(1)因为某种原因,程序混乱后,看门狗电路虽然发出了复位脉冲,但在程序刚刚正常还来不及发出一个脉冲信号,此时程序再次被干扰,而这时看门狗电路已处于稳态,不能再发出复位脉冲。(2)程序进入死循环,在该死循环中,恰好又有看门狗监视I/O口上操作的指令。而该I/O口仍有脉冲信号输出,看门狗检测不到这种异常情况。(3)在有严重干扰时,中断方式控制字有时会受到破坏,导致中断关闭。

4.2 单片机软件抗干扰措施

只用硬件看门狗电路是无法确保单片机正常工作的。因此,可采用软件看门狗的方法作为补充。

内部不带看门狗电路的单片机,可以设计外接看门狗电路,如图1所示。

图中将555接成一个多谐振荡器,计数为16进制,当数到第8个脉冲时Q端输出高电平。利用单片机的一个I/O口控制计数器清零端,只要每次清零的脉冲时间小于8个脉冲周期,Q端就保持低电平。当单片机异常时,计数器不能在8个脉冲内清零,则Q端输出高电平,使单片机系统复位。

4.3 提高静电抗扰度措施

DW45、DW450断路器智能脱扣器采取了防静电技术,下面予以简要说明。

4.3.1 静电放电的机理

要防止静电放电的产生,就必须知道静电放电的机理:一个充了电的导体在接近另一个导体时,就会在两个导体之间产生非常强的电场,只要两导体间的电压超过了它们间空气和绝缘介质的击穿电压,就会产生静电放电,形成放电电弧,在0.7～1 ns的时间内,电弧电流可以达到几十安培。静电放电引起的干扰可以通过多种途径进入电子设备:(1)初始的电压差可以在设备表面的较大范围内建立起很强的电场;(2)电弧注入器件,常会造成MOS器件、CMOS器件栅极的击穿,造成CMOS电路的锁死,造成输入口反偏的PN结的击穿,熔化有源器件内部焊接线和铝线,破坏钝化层,烧坏晶体管单元等故障;(3)放电电流会在导体上产生电压脉冲V=Ldi/dt,电压脉冲会循着连线进入每一个与之相连的元器件;(4)电弧会在1～500 MHz范围内产生一个强磁场;(5)由电弧形成的电磁场还会辐射耦合到信号线上,通过起被动天线作用的信号线,把它引入设备内部。

4.3.2 静电放电的防护

4.3.2. 1 介质隔离

介质隔离是最有效的防护措施,通过绝缘介质把内部电路和外界隔离开来。1 mm厚的PVC塑料、ABS塑料及聚酯材料可以抵挡8 kV的静电电压。但是实际的介质不可能没有间隙和接缝,所以对材料的间隙距离和蠕变非常重要。下面是DW45系列脱扣器制造时采取措施:(1)内部电路避开接缝、通风口和安装孔等一些平时用户可以接触到的部位来进行安装,避开的距离达到20 mm;(2)在机箱内部用聚酯薄膜覆盖接缝和安装孔,以延伸接缝和过孔的路径长度;(3)对面板上的开关、连接器调节手柄换成塑料件;(4)将安装在靠近机箱接缝、通风口附近散热器或金属部件上的边和拐角做成圆弧状;(5)拉大电路板及内部敏感元件与外壳之间的距离。

总之,这里采取了一个“躲”字,尽量避免静电放电的发生。对于间接放电,则通过拉大敏感部分与外壳的距离来躲过间接放电中的电磁场变化对试品的作用。

4.3.2. 2 屏蔽

静电防护的第二个有效方法是屏蔽,防止大的静电放电电流冲击内部电路。静电放电电流冲击金属屏蔽外壳的最初几微秒内,金属外壳上的电位会比地电位高出许多,继而金属外壳的电位会随着静电荷的释放而迅速下降,所以最初这段时间会对电路产生次静电放电的冲击(包括辐射和传导)。这表明光有屏蔽还不够,最好还能和接地措施配合使用。对于外壳不接地的敏感电子设备,机箱应达到20 kV的击穿电压;对于外壳接地的设备,也至少应具有1.5 kV以上的防击穿能力,以防止二次电弧的产生,而且要求放电路径的长度大于2.2 mm。

下面是DW45、DW450断路器智能脱扣器制造时采取的措施:(1)采用由ABS塑料外壳内部电镀镍金属材料而制成的有屏蔽功能的外壳;(2)接缝处材料的宽度5倍于缝隙的宽度;(3)去除结合处的沾污、油漆和其它绝缘物,保证结合处有可靠的电连接;(4)在结合处每隔20 mm的距离通过焊接或紧固件等方式实现电连接;(5)对一些缝隙较大的地方,用导电衬垫来保证结合面的电连接;(6)杜绝了缺口、裂缝和屏蔽太薄的情况出现;(7)确保孔径小于或等于20 mm及槽的长度小于或等于20 mm(在开口面积相同的情况下,采用开孔要比开槽好些);(8)在脱扣器外面面板上增加塑料防护罩;(9)用几个小的开口代替一个大的开口;(10)在连接器进入机箱的地方,将屏蔽层和机箱连接在一起;(11)将屏蔽层同电路的公共地连在一起。

总之,这里采取了一个“阻”字,利用屏蔽材料的屏蔽功能,保持机箱导电的连接性,将干扰拒之于门外。

4.3.2. 3 搭接和接地

搭接和接地也是防止静电放电干扰的重要手段。这里金属部件之间是通过搭接建立低阻抗通路的,从而使彼此间的压差降到最低。而接地则能最终泄放掉所积累的电荷。为了能有效防止静电放电干扰的发生,保证静电放电路径上的低电流密度和低阻抗是关键。

下面是脱扣器制造时采取的一些措施:(1)在预计有静电放电电流经过的部位采用多点接地,对不会有静电电流流过的部位采用单点接地;(2)将机箱的金属部分同底盘的地连接在一起;(3)机箱的接地线粗而短,长宽比小于5:1;(4)保持搭接部位的清洁;(5)在铰接部分补充搭接。

总之,这里采取了一个“疏”字。为静电放电设计一条低阻抗的通路。将接地和屏蔽配合在一起,得到最好的防止静电干扰功能。

除此之外,脱扣器在设计时还采取了下列措施:(1)在每条信号线路上加阻容组件,串联的电阻能有效限制尖峰电流,并联到地(独立地)的电容则能限制瞬间的尖峰电压。这样做的成本低,但防护能力有限。静电放电的破坏力在一定程度上得到抑制,但依然存在,因为它仅仅是延缓了尖峰电压的上升速率。过大的阻容元件参数还会引起信号失真。(2)信号通路上套磁环。(3)加电压瞬变抑制器或硅瞬变电压吸收二极管,这种防护非常有效。(4)采用内部集成静电防护功能的接口器件是一种有效的方法,尽管这种器件比普通器件的价格要高,但增加的费用比起外加防护二极管的费用要低。内部集成静电防护电路不会增加任何输入输出管脚的等效电容,也节省了印刷线路板的面积。这些器件的静电防护能力达到±15 kV(气隙放电)、±8 kV(接触放电)和±15 k V的人体放电模型的测试。

总之通过上面措施的应用,产品能顺利通过±8 kV(接触放电)和±15 kV的人体放电模型的测试,抗干扰效果相当明显。

4.4 增加脉冲群抗干扰措施

供电线路切断大容量感性负载时,能产生很大的电流和电压变化率,从而形成瞬变噪音干扰,瞬变噪音是电磁干扰的主要形式,脉冲群试验的本意是进行共模干扰试验,只是干扰脉冲的波形前沿非常陡峭,持续时间非常短暂,因此含有极其丰富的高频成分,这就导致在干扰波形的传输过程中,会有一部分干扰从传输的线缆中逸出,这样设备最终受到的是传导和辐射的复合干扰。针对脉冲群干扰来说,最通用的脉冲群干扰抑制办法主要采用滤波(电源线和信号线的滤波)及吸收(用铁氧体磁芯来吸收)。其中采用铁氧体磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效。即用粗漆包线穿入轴向有几个孔的铁氧体芯,就构成了高频扼制器件。将其串入电源线或地线中可阻止高频信号从电源/地线引入。DW45、DW450脱扣器就是采取了这种抗干扰措施,对抑制脉冲群干扰起到了很好的效果。

5 结语

综上所述,智能断路器抗干扰的根本措施在于硬件结构,软件抗干扰起到的是补充作用,在系统设计时只有二者兼顾,相互结合、互补才能达到较好的抗干扰效果。

参考文献

[1]高锋.单片微型计算机原理与接口技术[M].第2版.北京:科学出版社,2003.

低压断路器的选用 篇7

1 智能型低压断路器

智能型低压断路器同时具备非智能型低压断路器的功能。适用于交流频率50 Hz, 额定电压380—1 140V, 额定电流400—6 300 A的配电网中, 用来分配电能和保护线路及电源设备免受过载、欠电压、短路、单相接地等故障的危害。智能型低压断路器的主要优点是使用了高速可通信智能微控制器, 实现了断路器智能化保护等功能。该型断路器带有开放式通信接口, 可实现“四遥”, 满足集控中心自动化系统的要求。其主要技术性能如下。

(1) 智能型低压真空断路器采用新型智能微控制器, 具有多种保护功能, 可实现选择性保护, 动作准确, 还可以根据用户需要增加通信接口, 实现遥控、遥调、遥测、遥信等功能。与空气断路器相比, 该断路器使用寿命长、短路分断次数多、灭弧能力强、真正实现零飞弧。可用于目前空气断路器无法或不适宜使用的场所。

(2) 智能型低压真空断路器按极数分三极、四极, 按操作机构的控制方式分电动机储能操作、手动储能操作, 按安装方式分抽屉式、固定式, 按脱扣器种类分智能型控制器、欠电压瞬时 (或延时) 动作脱扣器、分励脱扣器等。该型断路器具有过载长延时反时限、短延时反时限、短延时定时限、瞬动功能, 可由用户自行设定, 组合实现所需的保护功能和单相接地保护功能等;具有显示功能, 可对正常运行电流、整定电流和动作显示;具有报警功能, 可对过载进行报警;具有自检功能, 可进行过载保护和微机自诊断。

2 非智能型低压断路器

非智能型低压断路器适用于交流频率50 Hz, 额定电压380—1 140 V, 额定电流400—6 300 A的配电网中, 用来分配电能及保护线路和电源设备的过载、欠电压和短路, 在正常条件下也可作为线路的不频繁转换之用。其类型按选择保护性能分为选择型和非选择型;按传动装置分为正面手柄直接传动、电动机传动;按脱扣器种类分为具有过流脱扣器和分励脱扣器、具有过流脱扣器、欠压瞬时 (或延时) 脱扣器;按过电流保护种类分为过载及短路均瞬时动作 (电磁式) , 过载长延时及短路瞬时动作 (热—电磁式或电子式) , 过载长延时、短路短延时及特大短路瞬时动作 (电子式) , 过载长延时及短路断延时动作 (电子式) ;按进出线方式分为板前进出线 (垂直进出线) 、板后进出线 (水平进出线) 、板前进线板后出线 (垂直进线、水平出线) 、板后进线板前出线 (水平进线、垂直出线) ;按是否有预贮能分为无预贮能 (贮能及闭合操作一次完成) 、有预储能 (储能及闭合操作二次完成) ;按欠压脱扣器分为欠电压瞬时脱扣器、欠电压延时脱扣器。

有预储能和无预储能的合闸特性分析。无预储能低压断路器, 当启动合闸按钮接通时, 设备从储能到断路器触点闭合需要一个机械储能过程。这种断路器的工作特点是有一定的机械合闸时间。有预储能低压断路器, 合闸前先预储能, 按下储能按钮, 机械储能过程完成, 按下合闸按钮, 合闸线圈得电吸合, 断路器瞬间合闸。该型断路器把机械储能过程在合闸前预完成, 减少了合闸指令发出后的机械储能时间。这种断路器的工作特点是无合闸机械延时, 把机械储能与合闸分为两步执行, 这在有特殊要求和自动化控制电路中具有优势。

3 低压断路器的选型技术原则

低压断路器的一般选型原则是:①断路器额定电流≥负载工作电流;②断路器额定电压≥电源和负载的额定电压;③断路器脱扣器额定电流≥负载工作电流;④断路器极限通断能力≥电路最大短路电流;⑤线路末端单相对地短路电流/断路器瞬时 (或短路时) 脱扣器整定电流≥1.25;⑥断路器欠电压脱扣器额定电压为线路额定电压;⑦断路器瞬动电流及电动机启动电流为2.0—2.5倍电动机工作电流。

4 低压断路器选型注意事项

浅析低压断路器选型 篇8

低压断路器按用途可分为配电断路器、保护断路器、灭磁断路器和漏电断路器等, 目前, 生产厂家研制出具有高科技高性能的新型智能型和非智能型断路器产品, 现主要对智能型和非智能型低压断路器选型设计提出浅析认识, 供同行参考, 不恰之处请同行赐教。

1 智能型低压断路器

智能型万能式低压断路器是用来分配电能和保护线路及电源设备免受过载、欠电压、短路、单相接地等故障的危害, 自动化程度极高, 智能型万能式低压断路器的主要优点是在设计和使用了CAN总线高速可通信智能微控制器与上位机实现监控的断路器智能化保护等功能。该断路器选择性和保护精确, 同时带有开放式通讯接口, 可进行四遥, 正常运行电流显示, 过载报警, 过载保护, 微机自诊断, 可满足集控中心自动化系统的要求。

2 非智能型万能式低压断路器

(1) 断路器按选择保护性能分选择型和非选择型。按传动装置分正面手柄直接传动和电机传动。按脱扣器种类分过流脱扣器和分励脱扣器, 具有欠压瞬时 (或延时) 托扣器装置。电流保护分过载及短路均瞬时动作 (电磁式) 和过载长延时及短路瞬时动作 (热-电磁式或电子式) 。过载长延时、短路短延时及特大短路瞬时动作 (电子式) 。按进出线方式分板前进出线 (垂直进出线) 和板后进出线 (水平进出线) 。按是否由预贮能分无预贮能 (贮能及闭合操作一次完成) 和有预贮能 (贮能及闭合操作二次完成) 。按欠压脱扣器分欠电压瞬时脱扣器和欠电压延时脱扣器。

(2) 有预储能和无预储能的合闸特性分析。通过对2种典型的低压断路器无预储能和有预储能断路器自身二次回路工作原理分析可知, 无预储能低压断路器, 当启动合闸按钮接通时, 设备从储能到断路器接点闭合需要一个机械储能过程到合闸, 这种断路器自身的工作特点有一定的机械合闸时间;有预储能低压断路器, 合闸前先预储能, 按下储能按钮, 机械储能过程完成, 当按下合闸按钮, 合闸线圈得电吸合, 断路器借助储能弹簧的收缩力瞬间合闸, 断路器把机械储能过程在合闸前已预完成, 减少了合闸指令发出的机械储能时间, 这种断路器自身的工作特点是无合闸机械延时性, 把机械储能与合闸分为两步执行, 该特点在有特殊要求和自动化控制电路中尤为重要。

3 低压断路器选型注意事项

低压断路器选型前, 要对断路器的工作原理和被保护设备的保护要求熟悉了解, 对设备的工作环境、参数、短路电流等主要技术数据进行计算, 要做到安全、经济、可靠、合理选择设备。当低压断路器在电气线路或水电站中作准同期合闸设备时, 使用非智能有预储能和无预储能断路器是有差别的。根据有预储能和无预储能断路器工作原理分析, 有预储能断路器作为准同期合闸设备时, 人工预先使断路器预储能, 当准同期合闸信号发出到主触头闭合相对于无预储能断路器是一个合闸过程, 把机械预储能到合闸分两步执行, 而无预储能断路器把同期合闸信号发出到主触头闭合要执行2过程即机械预储能时间。该断路器作为电气线路或水电准同期并网设备时, 往往在断路器主触头闭合发电机很有可能已经越过最优同期点, 失去最理想的同期合闸时间 (自动准同期性能好的设备也调节发出合闸信号的导前时间) 。使用有预储能万能式低压断路器作为同期点并网合闸设备可取消断路器在同期合闸信号发出后出现的上述现象。

4 结语

随着用电设备性能的不断提高, 对供电系统提出了“无触点化、超导化、智能化、网络化”的电气新技术日新月异。安全、经济、可靠、合理选择设备显得尤为重要。以上浅析了低压断路器的选型设计, 旨在说明在电气设备选型时必须要充分了解电气设备的工作原理和主要技术参数等, 从而保证电气设备的选型设计质量。

摘要：现市场上低压断路器品种繁多, 从第一代的电磁式到第二代的电子式和发展到今天第三代的智能式, 按技术先进程度设计选用时通俗的分为智能型和非智能型两种, 但断路器的机械分合闸机构和主辅触头通断动作原理基本相同, 致使低压断路器使用场合不同时选用不当会影响使用寿命和使用要求, 现对低压断路器在电气设计时如何选型浅析如下, 供同行参考。

低压微型断路器的机构分析 篇9

1 低压微型断路器的机构

1.1 机构动作原理分析

微型断路器是近年来推出的大量用于家庭住宅的终端电器。微型断路器机构的分闸、合闸和脱扣的位置分别如图1中的 (a) 、 (b) 和 (c) 所示。分闸、合闸时, E点被锁扣机构锁住, 因此, 连杆BB’与连杆AB共同转动。此时, 形成了四连杆机构 (即AB、BC、O1C三杆与两轴心的连线O1O2) 。四连杆机构只有一个自由度, 只要其中一个连杆的位置确定后, 其他连杆位置也会相应确定。因此, 可实现手柄带动触头分合闸动作。

图1中的 (a) 是分闸位置, 合闸时手柄向左推动。手柄与连杆O1C是同一杆件, 手柄带动连杆O1C绕O1逆时针转动, 通过CB杆推动触头杠杆AB顺时针转动, 触头杠杆将触头推向合闸位置。当O1C转过死点 (O1C与CB同一直线时为死点) 时, 随着AB杆的转动, 主拉弹簧被拉伸。此时, 主弹簧对AB杆有逆时针方向的力矩, 通过BC杆传递, 对O1C也有一个逆时针方向的力矩。当手柄卡在外壳上时, 手柄停止转动, O1C也停止转动, 机构闭合完成。当机构合闸时, A点可视为固定点, 主拉弹簧的拉力对A点的扭矩与触头压力对A点的扭矩相等, 但方向相反, 机构处于稳定状态。触头杆上的孔是腰形的, 当触头磨损时, 主拉弹簧可拉动触头杆绕A点顺时针转动, 使触头可靠闭合, 即为触头提供必要的超程。

图1中的 (b) 是机构的合闸位置, 合闸时手柄向右推动, 手柄带动连杆O1C绕O1顺时针转动, 通过CB杆带动触头杠杆AB逆时针转动, 触头杠杆将触头推向分闸位置。脱扣是因异常电流而导致控制元件给连杆BB’一个力, 使BB’上的E点脱离EO2, 四连杆机构变成五连杆 (AB, BC, O1C, BB’四杆与两轴心的连线O1O2) , 触头在主拉弹簧的作用下迅速分断。

当异常电流通过时, 对于锁扣杆EF, F点受到逆时针方向的拉力, 导致EF绕O2逆时针转动, 跳扣杆脱离E点, 机构由四连杆变成五连杆, 断路器迅速脱扣分闸。

1.2 机构受力计算

机构受力计算的目的是确定并验证触头的压力、操作手柄的操作力, 并判断其是否满足设计要求。通过力学计算可确定各个连杆形成的角度, 进而确定各个连杆的长度和O1, O2的相对位置。

闭合位置如图2所示, 接触板关于A点的转矩平衡为:

对于接触板, 在水平方向的力值平衡为:

对于连杆AB, O2点转矩平衡为:

对于把手, O1点的转矩平衡为:

1.3 结论

通过以上对小型断路器的分析, 可以得出以下3点结论: (1) 触头压力与主拉簧的拉力成正比; (2) 触头的超额行程与触杆上的腰形、静触头的相对位置有关; (3) 主拉簧的拉力越大, 分合闸时的操作力就越大, 同时, 合闸时触头的压力越大, 分闸时的分断速度越快。

2 结束语

平面连杆连杆机构是断路器的典型操作机构, 分闸、合闸时会形成四连杆, 脱扣时由四连杆变成五连杆。通过对断路器连杆机构的分析可知各个杆在动作过程中的运动轨迹、不同状态所处的位置和受力情况, 进而可在原来的基础上推陈出新, 不断开发出更可靠、性能更强、结构更紧凑的操作机构和断路器。

Mechanism Analysis of Low Voltage Miniature Circuit Breaker